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如何改革物联网时代的单片机课程教学和实践教学

2017-10-10 16:11:42 无线龙科技 阅读

微控制器和微处理器,即单片机,是最典型、最广泛、最简单的嵌入式系统,它是多数高校和职业学校电类专业的广泛开设的骨干课程和基本技术课程,同时,也是目前物联网专业普遍开设的基本基础课程,在课程设计、毕业设计和各种电子类竞赛等实践教学环节,也都得到广泛地使用。

    随着集成电路技术和物联网技术的发展和系统在芯片(SOC)技术的高速发展,目前单片机已经逐步从4位,八位向32位过渡,以ARM为核心的单片机不断扩大,同时已经开始实现将8051和ARM内核控制器和无线收发器,包括ZIGBEE,蓝牙,WIFI等收发器整合,以无线单片机的新形式,获得愈来愈广泛的应用; 

    在今天的物联网时代,目前高校和职业学校对改革传统的以8051系列MCU为主的相关教学体系有了新的、紧迫的要求,目前高校和职业学校多年积累的传统的MCU教学在教学内容、教学方法上与当今技术的发展状况严重脱节,缺乏时效性,一方面无法与物联网技术整合,另外一方面也无法有效衔接物联网专业课程体系。

     本文以扩展传感器网络、无线单片机及嵌入式技术和相关射频微波技术和高频技术为基础,讨论如何利用现有微处理器教学体系,淘汰老旧实验设备,换装最新仪器化教学设备,以无线单片机为技术切入点和硬件平台,结合最新的频域仪器和协议分析仪器,探讨单片机教学在内容上、方法上改进与与时俱进的全新思路。

     同时提出在原来教学体系上融合面向物联的无线单片机、嵌入式无线技术,低功耗技术,射频电路,天线技术等内容,旨在提高单片机教学内容的时效性和对物联网时代的单片机课程教学和实践教学实现改革、改善学生的知识结构,培养物联网时代的卓越工程师。

一、目前单片机教学现状
     国内不仅仅是物联网专业设有单片机类课程,而是几乎所有的工科院校和信息电子类职业学校都开设了单片机课程,涉及电子、通信、机电、自动化、电气等专业。几十年来,单片机教学的内容没有大的改变,仍然以单片机结构、指令、汇编等出发,辅以几个简单的单片机应用。这种以单片机结构和指令为主线展开的,不符合本该学科的认知规律,也不符合当前系统在芯片技术发展趋势,目前这样的传统成熟和教学体长期以来系亘古不变,已经无法提供多少技术问题可供学生们去分析,并且已经从教学理念和技术发展两方面落后,必须改变。

     从教学方法和实验手段看,目前的单片机教学方法陈旧,采用传统的灌输式课堂教学方法、过多的理论课时抑制了学生学习的积极性,特别是对实践教学重视度不够,缺乏大量直观化实验手段,仅仅利用老旧的8051单片机实验箱进行实验。只能起到演示的作用,无法培养学生动手、动脑解决问题的能力,而且目前物联网技术强调各种通讯手段,特别是无线通讯手段,目前陈旧的的单片机实验设备完全不能满足这样新的技术要求,同时,当前较少的实验课时又使本门课程的理论和实践脱节,学生缺乏在单片机方面动手和创新能力。

二、单片机教学改革的必要性
     物联网时代对单片机或嵌入式教学改革提供了机遇与挑战。物联网时代对单片机教学在教学内容、教学方法和课程体系设置上都提出新的迫切的要求。对于已经开设单片机课程的高校和职业学校,如何在单片机课程中,体现物联网相关技术?对于物联网专业的单片机基础课程,如何和物联网专业其他课程接口和贯通?如何采用新的教学设备和教学手段,提升教学质量?如何使用物联网及其相关技术,为单片机教学改革提供了丰富的教学资源、内容和实现方法?这些问题的回答本身也就说明了单片机课程改革的必要性。
     从必要性方面而言,从我国的单片机教学的现状可以看出,目前的单片机教学无论从内容到方法都需要改变。学生的反映、学习态度和学习效果也在一定程度上促使尽早变革是必要的。物联网发展的国家战略也要求高校尽早地培养掌握物联网相关技术、理念和应用设计人才。因此,必须在高校和职业学校基础课程教学中提前开展SOC单片机及物联网关联的学习,牢固掌握相关基础知识和技术。
     从课程设置上可行上而言,物联网时代的单片机教学涉及嵌入式,现代通讯,数字电路,网络基础,微机原理和接口,单片机,传感器和采集,操作系统等基础课程和软、硬件知识及其相关课程,分为基础课程、核心课程和实践教学中的应用开发,很多课程都是已经开设的课程。这是单片机教学改革改革的基础,这样,不需要对现有的课程体系做较大的调整。核心课程中,SOC单片机可以选择以MSC-51为内的无线单片机,也可以选择更加高级ARM Cortex?-A8 /M3/M4等先进的32为SOC无线单片机, 这样可以将传统的单片机教学顺延、加强。 嵌入式微处理器和RTOS操作系统也是高校课程之一,这里只需将单片机用作物联网网关,也可以作为物联网的路由器,节点,控制中心,网络终端。授课时强调其在物联网体系中不同的作用。改革后,单片机课程就可以作为一套独立课程开设,也可以作为物联网专业基础课程开设;

三、单片机教学改革的思路和措施
     由于物联网的核心技术之一是微功耗条件下的无线通讯技术,所以单片机与无线通讯合二为一是物联网时代单片机教学的必然形式和特点,各种新型通讯/协议接口和无线单片机模块的使用也是新时期单片机或嵌入式系统的主要表现形式。为此,需要结合物联网技术发展趋势和新的教学仪器设备的发展,对当前教学内容、方法和实践环节加以变革。
     从教学内容方面而言,教学目标硬件选为比较经济适用的无线单片机(SOC)。随着无线单片机技术发展,无线单片机内核目前已经有8051,MSP430,ARM Cortex?-M3等多种从8位到32位内核,单片机教学可以从TI CC2530这个目前比较成熟的ZIGBEE无线单片机开始起步。
     教学中应以物联网系统应用和传感器网络通讯技术为背景,突出网络、无线通信和数据采集、相关射频和天线技术基础微功耗技术基础和物联网相关新概念。保留传统单片机中的部分教学内容,如A/D、D/A、串行通信、定时器、SPI、I2C、中断技术等。

     软件系统和网络协议,建议选择ZigBee和RF4CE协议栈。利用软件实例和空中协议分析仪观察讲授协议栈中各层实现的方法。基础教学阶段不必讲解RTOS操作系统。软件系统和网络协议部分教学只需要结合测试观察简单讲解,要注重学生实际使用能力的训练。
     微功耗技术是传感器网络中的一项重要新技术,传统的单片机教学,没有这部分的内容,但是,使用在传感器网络的路由器和节点,必须要在微功耗条件下工作,单片机教学将增加这部分技术的教学内容;
     同时,既然要实现无线通讯,就不可能离开天线和传播,射频电路,电磁兼容等方面的一些知识,也不可能离开频域仪器使用和测量方法的知识,这部分原来属于射频工程师的复杂知识,对于非射频工程师也必须掌握的一部分知识,这部分知识也需要补充到改革后的单片机教学内容中来;
     从教学方法而言,传统单片机部分,采用采用以案例引导法,以任务为中心,提出创设环境、确定任务、完成任务的三部曲来实施教学任务;对应新的单片机课程,可以改进为以传感器网络应用产品为中心的全新思路,提出应用需求要求,确定产品设计任务,完成应用产品设计测试三部曲!

     教学方法要突出物联网/传感器网络数据采集、无线通信的概念,构造有实用意义的应用产品背景。例如,智能家居系统中的ZIGBEE红外线遥控转发器,如何实现对电风扇,空调等直接控制; 如何使用串口,控制ZIGBEE网关,实现温度,湿度,光线等传感器数据采集,如何使用SPI接口,完成对传感器的接口和控制,如何使用纽扣电池,实现一个微功耗远程采集控制节点等。
     对于无线通信教学,该部分接触到理论部分比较复杂,因此减少理论描述与推导,增加实际的开发和利用,通过9K-6GHZ频谱分析仪/信号发生器等先进教学仪器,让学生看见高频信号和高频功率信号,了解如何使用这些仪器开展测量和设计单片机相关射频电路,并且对无线单片机模块通讯距离,信号质量,环境噪声等进行直观测试,增强学生的感性认识,提升学生的学习兴趣,降低无线通讯部分学习门槛。
     对于网络协议部分,建议以ZigBee和RF4CE蓝本,以Keil等开发系统中用C语言书写的ZigBee协议栈程序为具体对象,强调应用层开发的流程,辅以网络层和MAC层中针对网络不同拓扑形态的具体设置。从简单的点对点通信的实现开始,逐步过渡到星型网络和网状的构建。网关部分可以使用普通节点和串通信,实现物联网与Internet互联。这部份教学方法使用高级的图形化空中协议分析仪,可以让学生实时看见空中飞行的各种ZIGBEE协议包装,看见图形化的网络拓扑,进行包装比较,分析,直观化可视化的理解协议栈的内涵,大大降低了协议栈教学门槛和增加了教学直观性;
     对于低功耗部分教学,可以使用微功耗动态分析仪,观察在电池状态下瞬间功率和动态曲线,自动完成功率计算和了解电池工作时间,看见了功率状态,简化了教学难度,增加了学生兴趣和动手能力;
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四、实验室构建和突出教学实践环节
    单片机本身技术是一门实践性很的技术,没有实践形同纸上谈兵,造成许多学生的高分低能现象,特别是目前使用无线单片机教学将涉及到的数千兆赫的高频微波信号,这些信号在空中飞行摸不到,看不见,更加增加了单片机教学难度,如果实践教学中,要改变只注重老师讲,学生做的方式,必须依靠全新一代的频域仪器和协议分析仪器等仪器组合来全面改革实践教学体系。
     淘汰原有单片机实验老旧平台(这些平台有10多年甚至20年历史),建立以具有新一代无线SOC单片机特征的单片机仪器化教学实验系统。选择支持ZigBee的无线SOC单片机选择最新深蓝RM6001教学实验平台是理想的选择,该平台首次集成了9K到6GHZ全频谱分析仪/射频信号发生器/图形化ZIGBEE/RF4CE空中协议分析仪/微功耗动态分析仪等先进仪器设备,各种CC2530/CC2540/CC1110/CC1120等无线单片机模块和大量测试和课程实验等教学资源;同样可以使用Keil/IAR的编译开发平台,方便代码移植和与原有实验兼容等,减少整改教学大纲的工作量。

     采用高级频域仪器和多种物联网新型教学仪器实现单片机教学,是很多老师期待多年的事情,但是多年来,以进口标准频域仪器为主的仪器,价格高昂,维护复杂,仅仅标准6GHZ频谱分析仪,单台要价就高达20多万人民币,而且没有相应配套的实验和教程;
    深蓝系列是新一代国产化教学仪器,采用全计算机化仪器设计技术和若干专利技术,突破这个价格瓶颈,国内高校和职业学校可以非常低的价格普遍装备,并且完全有能力实现学生人手一套,完成相关单片机实验和实践课程教学,该设备不仅可以使用在单片机课程教学,也可以同时适用物联网专业精品课程,物联网应用产品开发等多种用途;
     深蓝RM6001目前配置100多个个无线单片机标准试验库(标准实验库将不断升级),实验内容包括多种无线单片机的基础硬件实验、网络协议实验和综合试验三个部分。具体包括通用数字I/O接口、点阵式LCD驱动、时钟/中断、ADC实验、温度测量、UART实验和射频点对点通信等基础硬件实验;TI-ZStack、软件架构、应用层、网络层以及寻址路由等网络协议实验;无线模块发射功率和接收灵敏度测试,电池兼容测试,空中协议监视分析,微功耗仪器化测试分析等仪器化实验。综合试验可以根据硬件条件扩展各种选择智能家居,传感器采集,ZigBee网络,智能追溯,智慧农业,智慧交通等单片机课程综合实验。

     实验围绕新型深蓝RM6001仪器挂架和各种无线单片机实验套件组成,全部实验内容均为以观察分析信号和观察分析协议为主,直观看见频谱波形,看见空中协议,看见功耗曲线,看到代码运行情况,就像模拟数字电路使用函数发生器和示波器,逻辑分析仪实现教学实验一样,单片机教学跨入了完全仪器化现代化教学实验的新时代,实现了实验形式的全面创新和单片机课程实践和实验的全新用户体验;
     和传统单片机课程实验相比较,改革后的实验课程时间大幅度提升,大幅度增加学生自主试验时间、实验室可以灵活配置实验形式、最终形成开放实验室。并且实验教学中,减少验证性实验,增加综合性实验,鼓励学生利用整个课程的实验学时完成一个节点乃至简单传感器网络的构建,鼓励学生完成物联网应用产品设计和测试,调试和认证等的全过程。 
     实践教学包括专业课程设计、毕业设计和各级各类竞赛等。考虑无线单片机课程内容的特点,这种毕业设计是竞赛是学生的锻炼机会,是能力提高的途径。由于改革后的实验室具备了先进的信号测试和协议观察仪器和功耗观察测量仪器,实践教学将很容易和应用产品设计接口,让学生设计出正真可以实用化的无线模块,无线路由器,各种各样物联网实际应用产品;

     课程设计、毕业设计中要从市场需要出发,提出课题,培养学习创新意识和开发产品的能力。改革后的课程设计,可以完全以物联网传感网应用产品设计为主,选择以无线单片机为核心的智能水电气表,智能眼镜,智能手表,智能开关,智能家电,智能安防等应用产品,结合学习的无线单片机知识和射频电路,天线等知识,完成各种课程设计。

结语
     本文以单片机教学改革为突破点和目标,根据教育部“提高质量,办出特色”的要求,选择无线单片机硬件平台和先进的频域仪器,协议分析和微功耗分析仪器对等先进实验手段,对传统单片机教学进行全方位改革。
     物联网或传感器网是当前高校专业建设的热点之一,在物联网时代背景下,笔者认为:改革单片机课程教学相关软硬件课程是可行的、必要的,这些课程改革将有助于高等教育和职业教育的改革和与时俱进,有助于培养物联网行业需要的卓越工程师。


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